Введение к работе
Актуальность темы. Земля играет важную роль в жизни человеческого общества. Практика показывает, что процесс развития человеческого общества, формирование и развитие материальной и духовной культуры цивилизации, технические достижения, культура и наука построены с опорой на основы – землепользования. В зависимости от контекста развития общества, причины для изменения землепользования всегда в реальности преследовали своей целью удовлетворение потребности улучшения качества жизни и устойчивого развития человеческой жизни. Причины изменения использования земельных ресурсов разнообразны и сложны, однако, их можно обобщить в две основные группы: (i) изменения в связи с естественными причинами и (ii) изменения, вызванные деятельностью экономического развития - человеческого общества.
В настоящее время отчетливо видно влияние городских агломераций на экстенсивное потребление ресурсов Земли, загрязнение окружающей среды и изменение климата. Процесс урбанизации усилил это влияние, и вызвал ряд других негативных последствий для окружающей среды. Так, например, неконтролируемое горизонтальное расширение городов приводит к уничтожению сельского хозяйства и лесов, интенсивное развитие транспортной инфраструктуры - высокому уровню выбросов углерода, заторов на дорогах, более высоким расходам на инфраструктурное обеспечение, усилению проблем общественного здравоохранения и ряду других экологических, экономических и социальных проблем. Поэтому, в последние десятилетия растет осознание необходимости эффективного контроля процессом разрастания городских агломераций и выработке научно обоснованных мероприятий по устранению негативных последствий данного процесса.
Процесс урбанизации в последние два десятилетия набирает силу в Юго-Восточной Азии, особенно в крупных городских агломерациях. Во Вьетнаме, этот процесс начал набирать силу с 1990 г., поскольку курс на экономическое обновление Вьетнама был принят в 1986 г. Уровень урбанизации особенно высок для Ханоя и Хошимина, где население составляет 16,8% (15 миллионов человек) от всего населения страны. Что касается Ханоя, население увеличилось с 3,1 млн. в 2003 году до 6,1 млн. в 2008 году и до 7,2 млн. в 2015 г., тогда как уровень урбанизации составил 49,1%.
В рамках диссертационного исследования мы остановились на проблеме обна-
ружения и прогнозирования замещения видов землепользования на водонепроницаемые поверхности, так как эффективное управление и регулирование земельных ресурсов - одна из главных составляющих рационального природопользования.
Эффективное использование космических изображений для обнаружения и картографирования изменений видов землепользования на сегодняшний день во Вьетнаме является нерешенной проблемой из-за отсутствия соответствующих автоматизированных методик обработки данных дистанционного зондирования, получаемых со спутника. Поэтому, задача разработки подобной методики актуальна и имеет важное научное и практическое значение.
Степень разработанности решаемой научной задачи исследована по опубликованным в открытой печати научным статьям в области тематического дешифрирования аэрокосмической информации, применительно к задачам наук о Земле. При написании диссертационной работы автор опирался на труды известных учёных в области космических методов дистанционного зондирования, цифрового картографирования и ГИС-технологий, в частности: Прэтта У., Кронберга П., Книжникова Ю.Ф., Кравцовой В.И., Зверева А.Т., Сладкопевцева С.А., Малинникова В.А., Марчукова В.С, Савиных В.П, Верещаки Т.В., Стурмана В.И., Злобина В.К., Журкина И.Г., Беленко В.В., Барталева С.А., Браткова В.В., Дейвис Ш.М., Ландгребе Д.А., Арнольд Ж., Шулер Т.Р., Pham Cu Van, Martin Herold, Lambin E.F., Geneletti D., Brandt Tso, Paul Mather, Ursula C Benz, Peter Hofmann, Aplin P., Lloyd CD., Theobald D.M., Pairman D., Thomas Lillesand, Dongjie G., Dadhich P.N., Zhang R., Logsdon M.G, Muller R.M., Murteira B., Cabral P., и многих других.
Основной целью диссертационного исследования явилось решение актуальной научной задачи, а именно, разработка методики обнаружения и прогнозирования замещения видов землепользования на водонепроницаемые поверхности по материалам разновременных многозональных космических съемок на примере территории г. Ханой, Вьетнам.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Провести обзорный анализ состояния проблемы водонепроницаемых поверхностей на территории мегаполиса Ханой (Вьетнам) и выявить основные направления исследований. Выполнить анализ современных методов обнаружения прогно-
зирования водонепроницаемых поверхностей по материалам многозональной космической съемки;
Обосновать возможность использования объектно-ориентированного метода для обнаружения водонепроницаемых поверхностей на территории мегаполиса по их космическим изображениям;
Разработать методику обнаружения замещения видов землепользования на водонепроницаемые поверхности по материалам многозональных космических съемок;
Определить типы и содержание карт, актуальных для оценки площадей водонепроницаемых поверхностей на территории мегаполиса;
Разработать методику прогноза изменения площадей водонепроницаемых поверхностей с использованием цепей Маркова;
Выполнить экспериментальные исследования по обнаружению и прогнозированию площадей водонепроницаемых поверхностей на тестовой территории мегаполиса Ханой, Вьетнам.
Научная новизна работы, проведенной в рамках диссертационного исследования, заключается в следующем:
Впервые разработана автоматизированная методика обнаружения и прогнозирования замещения видов землепользования на водонепроницаемые поверхности по материалам многозональных космических съёмок. Предложенная методика, основывается на методе объектно-ориентированной классификации спектральных изображений земных поверхностей с использованием вегетационных индексов и индекса водонепроницаемых поверхностей;
Впервые выполнены расчеты показателей динамики замещения видов землепользования на водонепроницаемые поверхности для мегаполиса Ханой, позволившие составить авторские оригиналы карт, отображающих замещения видов землепользования на водонепроницаемые поверхности за период 2003 - 2011 гг.;
Впервые выполнен прогноз замещения различных видов землепользования на водонепроницаемые поверхности с использованием Марковских цепей для моделирования изменений в землепользовании, включая как городские, так и негородские районы в больших пространственных масштабах.
Теоретическая значимость диссертационной работы состоит в совершенствовании теоретических и методических основ автоматизированного тематического дешифрирования материалов многозональных космических съемок.
Практическая значимость работы. Разработанные автором вычислительные алгоритмы и методика тематического дешифрирования многозональных космических изображений обеспечивают решение поставленной научной проблемы с целью обнаружения изменений видов землепользования, тематического картографирования и прогнозирования замещения видов землепользования на водонепроницаемы поверхности, на примере мегаполиса Ханой. Результаты научных исследований автора могут быть использованы при выполнении научными и производственными организациями Вьетнама исследований в следующих направлениях: организация системы экологического космического мониторинга, контроль и прогноз состояния окружающей среды, повышение эффективности рационального природопользования, охрана природных ресурсов для обеспечения устойчивого развития мегаполиса, цифровое картографирование видов землепользования и другие.
Методология и методы исследования. В диссертационной работе использован аналитический и картографический методы для исследования структуры землепользования в сочетании со статистическим и математическим методами, а также методы цифровой автоматизированной обработки космических изображений.
На защиту выносятся научные результаты:
Автоматизированная методика обнаружения и прогнозирования замещения видов землепользования на водонепроницаемые поверхности по материалам многозональных космических съёмок;
Картосхемы индексов SI, SAVI, NDWI и индекса водонепроницаемых поверхностей (ISI) на территорию города Ханой, вычисленные с помощью объектно-ориентированного классификатора на 2003, 2007 и 2011 гг.;
Прогнозные оценки замещения видов землепользования на водонепроницаемы поверхности на 2019 и 2027 годы в городе Ханой, Вьетнам.
Апробация результатов работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на следующих научных конференциях: 71-
ой (5 апреля 2016 г.) и 72-ой (12 апреля 2017 г.) научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 научные статьи, все статьи опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Объём и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Основной текст диссертационной работы изложен на 110 стр., в том числе 28 табл., 35 рис. Список литературы включается 134 наименований, в том числе 26 на русском и 108 на иностранных языках.
Автор выражает благодарность научному руководителю – д.т.н., проф. В.А. Малинников, а также всем сотрудникам кафедры космического мониторинга и экологии МИИГАиК за оказанную помощь в подготовке диссертационной работы.